斷裂監(jiān)測新技術(shù)及應用實例

劉延勇

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440)

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斷裂監(jiān)測新技術(shù)及應用實例

劉延勇

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440)

斷裂監(jiān)測是為了獲取到大陸地震前兆的各種信息，從而達到地震預測的目的。以往的斷裂監(jiān)測方法存在一些局限性和不足，本文介紹的斷裂監(jiān)測新方法為深孔電磁場和水位監(jiān)測系統(tǒng)(DH-EMW)，并在廣州市金沙洲、大坦沙分別建成斷裂監(jiān)測站和安裝了該監(jiān)測系統(tǒng)。目前，監(jiān)測系統(tǒng)運作正常，監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論預期一致，效果甚佳，為后續(xù)開展其他斷裂監(jiān)測提供示范。

斷裂；監(jiān)測；新技術(shù)；示范

斷裂是斷塊的邊界，它切割的深度決定了斷塊的規(guī)模，地殼(巖石圈)級別的斷塊活動，是誘發(fā)地震、海嘯、地面開裂、山體崩塌等大規(guī)模地質(zhì)災害的主要原因。通過對斷裂的監(jiān)測，有可能獲取到大陸地震前兆的各種信息，從而達到地震預測或預警的目的。目前，斷裂監(jiān)測的方法或手段大體分可為以下幾類：

(1)斷層位移或變形監(jiān)測：包括重復水準測量和使用的GPS在內(nèi)的各類大地測量儀器，對斷裂兩盤位移或區(qū)域地殼變形進行監(jiān)測。此類監(jiān)測的問題是：雖然監(jiān)測數(shù)據(jù)精度很高，但目前無法確定水準測量或利用GPS觀測到的地面變形，與斷裂突發(fā)活動或地震發(fā)生之間有何關(guān)聯(lián)。

(2)地應力測量：通過鉆孔測量地應力的方法已比較成熟，但這種方法所獲得的數(shù)據(jù)只能反映地殼淺部(鉆孔所穿過的深度)、而非深部地震源區(qū)的應力變化(大陸地震的震源深度絕大部分在5～25 km間)；

(3)斷層流體測量：包括斷層氣測量、地下水位和水化學測量等；就監(jiān)測方式而言，可分為流動監(jiān)測和固定監(jiān)測，前者在地面進行，需要進行定期性測量；后者則多在橫穿斷裂帶的坑道安裝各類監(jiān)測儀器，進行連續(xù)觀測。

(4)區(qū)域地球物理場測量：包括微震測量、地磁場測量、地電場測量等，其中微震和地磁場測量主要通過地震臺網(wǎng)。地電場測量實質(zhì)是測量區(qū)域自然電場的變化，方法是在特定區(qū)域內(nèi)，在地殼淺部(通常在土壤中)埋藏若干電極對，組成監(jiān)測網(wǎng)絡。該方法我國稱之為“土地電法”，國外使用的VAN法的監(jiān)測對象相同，不同的只是布極方法。

除了上述監(jiān)測方法外，尚有其它活斷層監(jiān)測方法，例如微震監(jiān)測、大地電磁監(jiān)測、地熱監(jiān)測等等。總體上，以往的斷裂監(jiān)測方法存在一些不足，同時還受項目經(jīng)費、時間、監(jiān)測場地等條件的限制。

1　斷裂監(jiān)測新方法

最新研究發(fā)現(xiàn)，在距今6～7萬年以來，廣州主要斷裂的廣從斷裂、白坭-沙灣斷裂和獅子洋斷裂均發(fā)生過突發(fā)活動，導致珠江三角洲的環(huán)境發(fā)生多次重大變遷[1]，而且斷裂活動在將來有再次發(fā)生的可能，直接威脅著區(qū)內(nèi)的社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。為了解和監(jiān)測這些斷裂的潛在活動性，廣州市地質(zhì)調(diào)查院在實施“廣州城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警新技術(shù)示范研究”項目過程中，與由中山大學陳國能教授科研團隊合作，引入斷裂監(jiān)測新方法，該方法為深孔電磁場和水位監(jiān)測系統(tǒng)(DH-EMW)。

1.1斷裂電場及其形成原理

斷裂電場是指斷面兩側(cè)巖石在力作用下產(chǎn)生壓電效應而在斷裂面上形成的電場。石英是自然界中最普遍的壓電礦物，實驗表明花崗巖類巖石因含大量石英晶體而通常具有較大的壓電模數(shù)，而無石英礦物的基性巖類壓電模數(shù)很小。絕大部分大陸地震的震源出現(xiàn)在陸殼內(nèi)部5～25 km的深度范圍，這一深度通常也稱為“大陸地震層”。大陸地震層的位置正是大陸花崗巖層的位置相當。這意味著切割到這一深度的斷裂，斷面兩側(cè)的巖石都有可能產(chǎn)生壓電效應，從而形成“斷裂電場”[2]。如圖1所示，當斷面上盤斷塊對斷面的作用力(可來自構(gòu)造力或上盤斷塊自身的重力)均勻分布于斷面上，此時的斷裂電場為正常場；一旦斷塊在外力或自身重力作用下出現(xiàn)滑移趨勢，但斷面的凹凸不平又使得斷塊滑移受阻，那么原來均與分布于整個斷面上的作用力會逐漸集中在阻力點上，換言之，阻力點上承受的力(F)將隨著時間的發(fā)展而逐漸增加，由此引起該點兩側(cè)的巖石(花崗巖)產(chǎn)生越來越強的壓電效應，震前地電異常逐漸升高和持續(xù)在高位運行的現(xiàn)象即為這一認識的證據(jù)。由于壓電點是斷裂運動的阻力點，即斷面上的應力積聚點，因而就是斷裂的孕震區(qū)。一旦該點的阻力被突破，積聚的能量隨即釋放，形成地震，該點巖石的壓電效應也隨即消失，這是地震發(fā)生與地電異常消失同步出現(xiàn)的原因。

箭頭F為作用與壓電點上的外力，斷面上紅、藍兩色分別示正、負電場，數(shù)字為示意的電場強度等值線

圖1斷裂壓電效應與斷裂電場形成的理論模型

(陳國能，2012)

1.2斷裂電場監(jiān)測方法

斷裂深部的壓電點是“電源”，其產(chǎn)生的電流沿斷裂到達地表淺部，由于斷裂與淺表含水層間的相互連通，導致了壓電電流會繼續(xù)沿淺層地下水傳導和擴散，其擴散方式表現(xiàn)為電場強度向遠離斷裂延展方向的兩側(cè)迅速減弱。根據(jù)電場的特性，對于斷裂電場中的不同部位，其電場強度大小不一，越接近“電源”，電場強度越大。因此在斷裂電場的不同部位測得的電場強度數(shù)據(jù)必有差異。

根據(jù)上述認識，斷裂電場監(jiān)測方法(圖2)：在鉆探到監(jiān)測斷裂破碎帶的鉆孔底部放置中心電極(A),在斷裂上盤(或下盤)和斷裂破碎帶上方的沉積層中分別埋放B、C電極(也可設置更多的電極)。根據(jù)斷裂電場原理，應有：① A、B兩點的電位差大于A、C兩點；② A電極是公共電極，故A—B測道和A—C測道獲得的電位差曲線應呈同步變化特征。

說明：紅色和藍色虛線及數(shù)字為假設電場線，帶F的箭頭示壓電點(斷裂孕震區(qū))的作用力方向，粉紅色點為電極

圖2斷裂電場監(jiān)測方法模型圖

1.3深孔電磁場和水位監(jiān)測系統(tǒng)(DH-EMW)

深孔電磁場和水位監(jiān)測系統(tǒng)(DH-EMW)由斷裂電場、磁場和地下水位監(jiān)測組成[3]，因為電、磁場變化數(shù)據(jù)可以互相印證，同時監(jiān)測地下水位變化對斷裂電場產(chǎn)生影響。該監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測模型見圖3。其中的站1為主監(jiān)測孔，在其底部將設置公共電極(圖2中的電極A)，上方放置水位儀探頭；站3為輔助監(jiān)測孔，用于放置深孔地磁儀。站4和站2分別相當于圖2中的B、C電極，埋設于地面以下>2 m的第四紀沉積層中。其中C電極(站2)下方為斷裂破碎帶，距離上比B電極(站4)更靠近A電極；B電極位于斷裂上盤地塊淺表沉積層中，公共電極A(站1)分別與電極B(站4)和電極C(站2)連接，構(gòu)成A—B和A—C兩個測道。如果斷裂電場理論屬實，預期監(jiān)測結(jié)果應有：①站1和站4，即A—B測道的電位差應大于A—C測道；②兩個測道的電位差曲線應同步變化，即有相同的相位。

圖3　深孔電磁場和水位監(jiān)測系統(tǒng)模型

2　監(jiān)測儀器設備安裝與調(diào)試

監(jiān)測儀器設備廣州市拓深電子技術(shù)開發(fā)有限公司提供，并負責裝調(diào)試。儀器設備及安裝內(nèi)容包括：

配置安裝一套ATS-SR深孔地電場觀測系統(tǒng)(包括電極布設、電源供電系統(tǒng))；

配置安裝一套PMT-ZK深孔地磁場觀測系統(tǒng)(包括深孔磁探頭、供電電源及極化電源)；

配置安裝一套EWT-A 地下水位觀測系統(tǒng)(包括井下探頭、供電電源)；

配置安裝一套多路網(wǎng)絡數(shù)傳單元及數(shù)采、網(wǎng)頁等控制軟件；

配置相關(guān)儀器設備信道、信號、市電的防雷器；

設置井口及電極標志墩、各信號電纜的套管埋設等。

3　應用實例

3.1金沙洲監(jiān)測站

2011-2012年，選擇廣從斷裂作為監(jiān)測對象，通過監(jiān)測站場選址、斷裂帶勘查、監(jiān)測站房建設、監(jiān)測儀器采購安裝調(diào)試等一系列工作后，在金沙中學完成建設廣從斷裂金沙洲監(jiān)測站[4]。

根據(jù)前面所述的斷裂監(jiān)測系統(tǒng)模型(圖3)，設計了金沙洲監(jiān)測站平面布局方案。在監(jiān)測點1，即ZKDH202(主監(jiān)測孔)孔底部約200 m深度處布設電極A，同時在孔深12 m處安裝水位儀；監(jiān)測點2安裝電極C；監(jiān)測點3，即 ZKDH201(輔助監(jiān)測孔)孔內(nèi)安裝地磁場觀測探頭；監(jiān)測點4安裝電極B，電極B、C埋深均為2.5 m。監(jiān)測站房設于金沙中學教學樓樓頂，用于放置室內(nèi)監(jiān)測儀器設備。

3.2大坦沙監(jiān)測站

2013-2014年，選擇白坭-沙灣作為監(jiān)測對象，通過監(jiān)測站場選址、斷裂帶勘查、監(jiān)測站房建設、監(jiān)測儀器采購安裝調(diào)試等一系列工作后，在廣州市境新置業(yè)有限公司完成建設白坭-沙灣斷裂大坦沙監(jiān)測站[5]。

根據(jù)前面所述的斷裂監(jiān)測系統(tǒng)模型(圖3)，設計了大坦沙監(jiān)測站平面布局方案。在監(jiān)測點1，即ZKDT07(主監(jiān)測孔)孔底部約200 m深度處布設電極A，同時在孔深12 m處安裝水位儀；監(jiān)測點2安裝電極C；監(jiān)測點3，即 ZKDT08(輔助監(jiān)測孔)孔內(nèi)安裝地磁場觀測探頭；監(jiān)測點4安裝電極B，電極B、C埋深均為6.0 m。監(jiān)測站房設于境新公司樓頂，用于放置室內(nèi)監(jiān)測儀器設備。

4　監(jiān)測成果分析

4.1金沙洲監(jiān)測站監(jiān)測成果分析

圖4是按30分鐘平滑處理后的地電場主測道曲線(10秒一組的監(jiān)測數(shù)據(jù))，可見：①系列一(A—B測道，1號與4號監(jiān)測站之間)的電位差確實比系列二(A—C測道，1號與2號監(jiān)測站之間)高，監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論預期吻合，證明理論模型合理；②系列一和系列二兩條曲線基本同步變化，說明曲線的波動并非起因于兩個淺埋電極，而是與兩者的共同電極接受到的電場信號有關(guān)，亦即是深部因素引起[6]。

圖4　地電儀監(jiān)測曲線圖(2012年12月1—6日)

圖5　金沙洲站地電地磁監(jiān)測曲線圖(2012年12月12—25日)

圖5是從監(jiān)測屏幕上顯示的監(jiān)測曲線，第一行的曲線為水位曲線，形成一個半日潮的變化曲線；第二行為地磁場曲線，地磁場曲線大體穩(wěn)定；第三行為地電場A—B測道曲線，第四行為地電場A—C測道曲線，反映出前者高于后者且兩者同步變化。

4.2大坦沙監(jiān)測站監(jiān)測成果分析

圖6是該站2015年3月14日—4月18日的地電場曲線，可見兩條曲線的位差十分清楚，及A—B測道(藍色曲線)的位差顯著大于A—C測道(紅色曲線)[6]。然而，C電極因靠近建筑場地，附近正在進行建筑場地鉆探，可以看到其對C電極的干擾十分大，造成A—C曲線上出現(xiàn)跳躍式的波峰。此外，水位和地磁場變化基本平穩(wěn)。由于，附近建筑場地尚要進行基坑開挖和建筑物施工，這些都會對該測點的數(shù)據(jù)造成影響，因此，需要相當一段時間、大坦沙監(jiān)測站才能獲取到準確的數(shù)據(jù)。

5　結(jié)語

(1)深孔電磁場和水位監(jiān)測技術(shù)(DH-EMW)，是目前斷裂構(gòu)造活動監(jiān)測的新理論與方法。金沙洲、大坦沙監(jiān)測站建設為新理論與方法提供了機遇與檢驗，能夠?qū)崟r、大批量和不間斷地獲取到斷裂深部應力狀態(tài)變化的信息，其意義重大。

(2)金沙洲站運行2年多，大坦沙站運行6個多月，監(jiān)測系統(tǒng)運作正常，地電場監(jiān)測結(jié)果與理論預期吻合，效果甚佳，表明該新理論與方法具有有效性和可行性。

(3)現(xiàn)有的二個示范點斷裂監(jiān)測站的數(shù)據(jù)還沒有充分的代表性，在將來能建設多個斷裂監(jiān)測站后，才有可能計算或?qū)ふ页錾畈繑嗝婵赡軘嗔训牟课缓湍M系統(tǒng)失衡的臨界點，進一步探索斷裂構(gòu)造活動預警工作。

[1]陳國能,張珂,莊文明，等.廣州市主要斷裂活動性研究及區(qū)域穩(wěn)定性評價成果報告[D].中山大學地球科學系.2009.

[2]陳國能,陳震,彭卓倫，等.廣州市活斷裂監(jiān)測系統(tǒng)(金沙洲站)設計與建設研究報告[R].中山大學地球科學系.2012.

[3]陳國能,陳震,彭卓倫，等.廣州主干斷裂活動監(jiān)測預警新技術(shù)示范研究報告[R].中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院.2015.

[4]陳國能,陳震,唐煜坤，等.廣州市斷裂系統(tǒng)內(nèi)能監(jiān)測示范站選址研究報告[R].中山大學地球科學系.2011.

[5]陳國能,陳震,陳國輝，等.廣州市斷裂監(jiān)測系統(tǒng)2號監(jiān)測站選址研究報告[R].中山大學地球科學系.2013.

[6]李晶晶,鄭小站,劉延勇，等.廣州主干斷裂活動監(jiān)測預警新技術(shù)示范研究報告[R].中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院.2015.

2016-05-18

(廣州城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預警新技術(shù)示范研究)項目提供資助

劉延勇(1967-)，男，廣西平南人，工程師，主要從事構(gòu)造與花崗巖成因?qū)W。

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1004-1184(2016)04-0268-03